3. Жаростійкі сталі й сплави

   1. Особливі властивості, хімічний склад і мікроструктура

Жаростійкими (окалшюстійкими) сталями і сплавами називають такі, які здатні протистояти хімічному руйнуванню в газових середовищах при температурах вище 550°С і працюють в ненаван- таженому або слабконавантаженому станах. При високих температурах метали поводять себе інакше, ніж при нормальних і навіть при 300-500°С. Жаростійкі сталі одночасно бувають кислототривкими і жароміцними, але трошки відрізняються за хімічним складом.

Жаростійкість одного й того ж металу залежить від багатьох зовнішніх і внутрішніх факторів. До зовнішніх відносять температуру, склад газового середовища, швидкість його переміщення, парціальний тиск окислювача.

Внутрішніми факторами являються хімічний склад металу, структура і чистота обробки поверхні. Найбільший вплив має хімічний склад металу, який визначає кристалічну структуру і захисні властивості оксидів. Поліровані поверхні окислюються пові . .піше, так як оксиди рівномірно розподіляються по товщині і тому більш міцно зчіплюються з поверхнею металу.

В процесі хімічного окислення заліза або сталі на поверхні з'являється декілька оксидів, які розрізняються за хімічним складом, кристалографічною структурою і захисними якостями. Температурна залежність швидкості окислення заліза на повітрі відбиває змі- нення складу і структури оксидів, що утворюються на поверхні

Д

Рис. 270. Вплив температури на швидкість окислення заліза на повітрі.

о 560°С окислення йде повільно, при цьому на поверхні утворюються оксиди Ре₃0₄ (гематит) і РЄ2О3 (магнетит) з хорошими захисними властивостями (кристалічна структура їх складна, і швидкість дифузії кисню через них мала). Під час подальшого нагрівання ці оксиди розтріскуються внаслідок великого коефіцієнта об'єму (ф), і після звичайного окислення відбувається дифузійне окислення: атоми кисню проходять через плівки окислів і знову взаємодіють з залізом. З підвищенням температури утворюєтеся оксид РеО (вюстит), який стає основним шаром окалини. Швидкість окислення зростає через збільшення швидкості дифузії атомів крізь просту кристалічну решітку вюститу і полегшення доступу повітря через тріщини окалини.

Таким чином, для підвищення окалиностійкості необхідно, щоб на поверхні заліза або сталі утворювалась щільна окисна плівка, не втрачаюча своїх якостей при високих температурах.

Вирішують цю проблему легуванням сталей такими елементами, як Сг, АІ, 5і. Ці елементи знаходяться в твердому розчині і

під час нагрівання утворюють захисні плівки оксидів (Сг,Ре)₂Ои (АІ,Ре) ₂О) і 5і0₂, через які дифузія проходить утруднено.

Підвищення окалиностійкості досягається, головним чином, основним легуючим елементом - хромом. Мінімальна кількість хрому для забезпечення окалиностійкості при різних температурах визначається із рис. 271. Для забезпечення достатньої окалиностійкості при температурі 900°С необхідно вводити не менше 10% хрому, а при робочій температурі 1100°С - не менше 20-25% Сг. Легування сталей з 25% Сг алюмінієм в кількості 5% підвищує окалиностій- кість до 1300°С. Важливу роль в підвищенні жаростійкості грає нікель. При цьому треба зауважити, що окалиностійкість сталей і сплавів значно більше залежить від хімічного складу, ніж від структури. Так, окалиностійкість феритних хромистих і аустенітних хромонікелевих сплавів, як видно з рис. 271, практично однакова.

В таблиці 28 приведені марки і хімічний склад жаростійких сталей і сплавів, а також вказана температура, вище якої вони не

п

сталі: а) феритні сталі; б) аустенітні сталі.

овинні нагріватись в експлуатаційних умовах. При виборі марки слід враховувати механічні властивості сплаву і ного вартість.

Сталі феритного класу в процесі тривалої роботи при високих температурах схильні до росту зерна, в результаті чого знижується ударна в'язкість, з'являється крихкість. Для усунення крихкості сталь додатково легують титаном (08Х17Т, 15Х25Т). Карбіди титану перешкоджають росту зерна фериту. Сталі феритного класу - нежароміцні, тому їх використовують для виробів, які не підлягають великим навантаженням, особливо динамічним. їх застосовують, наприклад, для виготовлення малонавантажених деталей печей.

Таблиця 28. Хімічний склад і властивості жаростійких сталей і сплавів.

Марки	Окали постій кість, °С	Кількість елементів. %							Механічні властивості
		С	Сі	N1	Зі	Мп	ІНШІ	ст«, МПа		8,%
08X17Т	950	0.08	16-18	0,7	0,8	0,8	0.5-0.8 Ті	400		20
12X17	900	0,12	16-18	—	0,8	0.8	—	400		20
15Х25Т	1050	0,15	24-27	0,8	1,0	0,8	0,5-0,9 Ті	450		20
05X13104	950	<0,05	12-14	0,6	1,0	0,7	4-6 ЛІ	-		--
05Х23Ю5Т	І4(К)	<0,05	21,5-23,5	0.6	0.6	0,3	0.2-0,3 Ті	-		-
08Х23С2Ю	1200	<0.08	22-24	0.6	1.5-1,8	0.4-0.7	1.1-1.6Я/	-		-
І2Х18Н9	850	0,12	17-19	8-Ю	2,0	2,0	—	500		45 і
і 10Х23Н18	1050	0,10	22-25	17-20	1.0	2,0	—	500		1 35
12Х25Н16Г7АР	1100	0,12	23-26	15-18	1,0	7,0	0,3-0,45 N 0,010 В	700		40
20Х25Н20С2	1050	0,2	24-27	18-21	2-3	0,8	—	600		35
ХН32Т	1100	0,05	19-22	30-34	—	—	0,25-0.6 Ті	--		-
ХН45ІО	1300	0.1	15-17	44-46	—	—	2,9-3,9 ЛІ	-		-
ХН78Т*	1150	0,12	19-22	основа	—	—	0,15-0,35 Ті <0,15 ЛІ	--		-
Х20Н80	1100	0,15	20-23	75-78	0,4-1,3	0.7	—	-

*-заліза < 6.0%

Сталі аустенітного класу (10Х23Н18, 20Х25Н20С2) не тільки жаростійкі, але й жароміцні, тому вони можуть працювати при високих температурах під навантаженням. Вони можуть застосовуватись для виготовлення багатьох деталей парогенераторів, газових турбін, реактивних двигунів тощо.

Сплави на залізонікелевій основі (ХН32Т, ХН45Ю) і на нікелевій основі (ХІІ78Т) відносяться до високожароміцних дорогих

сплавів. В зарубіжній практиці вони мають назву німоніків. Вве дення титану та алюмінію робить такі сплави дисперсно-твердіючи- ми, що дозволяє застосовувати їх для деталей газових турбін або електропечей, працюючих в умовах високих температур та напружень.

Сплави типу ніхрому Х20Н80 мають структуру гомогенного твердого розчину на основі нікелю. Вони відносяться до жаростійких сплавів з підвищеним електроопором, але жароміцність їх низька. Ці сплави використовуються для виготовлення електронагрівальних елементів печей і виготовляються у вигляді дротів або стрічок.

Жаростійкі хромисті сталі з алюмінієм та титаном (Х13Ю4, Х23Ю5Т) мають дуже високу жаростійкість і також, як ніхроми, використовуються для виготовлення електронагрівачів.